UD-ingenieurs zijn de hoofduitvinders van een nieuw patent voor het maken van piëzo-elektrische apparaten, zoals sensoren en actuatoren, met behulp van Nodax, een biologisch afbreekbaar, biogebaseerd polymeer.

Jaarlijks wordt ruim 400 miljoen ton plastic geproduceerd, inclusief artikelen voor eenmalig gebruik, zoals boodschappentassen en drinkbekers. Omdat deze materialen lange tijd in het milieu kunnen terechtkomen zonder te worden afgebroken, zijn onderzoekers en bedrijven op zoek naar materialen die vergelijkbare fysieke eigenschappen bieden als conventionele kunststoffen, maar snel biologisch afbreekbaar zijn en geen schade toebrengen aan planten en dieren.

Een polymeer dat is uitgevonden, ontworpen en chemisch gesynthetiseerd door Isao Noda, een hoogleraar aan de afdeling Materials Science and Engineering van het College of Engineering van de UD, is zo'n alternatief materiaal dat biogebaseerd en biologisch afbreekbaar is. Mogelijk gemaakt door een voortdurende samenwerking met John Rabolt, de Karl W. en Renate Böer hoogleraar Materials Science and Engineering, bleek dit polymeer verrassend hoge piëzo-elektrische eigenschappen te hebben, wat betekent dat het in staat is elektriciteit te produceren wanneer het wordt gebogen of vervormd.

Nu heeft het op de UD gebaseerde onderzoeksteam een ​​Amerikaans patent gekregen voor het gebruik van dit innovatieve materiaal om piëzo-elektrische apparaten te produceren. Samen met patenten die al in verschillende andere landen zijn toegekend, maakt deze prestatie de weg vrij voor een breed scala aan potentiële toepassingen en commercialiseringsmogelijkheden.

Het maken van natuurlijk voorkomende polymeren op industriële schaal

Terwijl ze als industrieel wetenschapper bij Procter &Gamble werkte, kreeg Noda de taak om een ​​nieuw type biologisch afbreekbaar materiaal te vinden voor wegwerpluiers en pakjes. Hij begon een klasse polymeren te onderzoeken die polyhydroxyalkanoaten (PHA's) worden genoemd, een soort natuurlijk voorkomende polyester gemaakt door bacteriën en andere micro-organismen en planten.

Het probleem, legde Noda uit, was dat de PHA's die destijds bekend waren, te hard en broos waren om bruikbaar te zijn in de meeste praktische toepassingen.

"Ik deed veel spectroscopische karakterisering en realiseerde me dat we bacteriën moesten kunnen vinden die de moleculaire structuur van PHA's op een bepaalde manier konden wijzigen", legt Noda uit, verwijzend naar de ketenlengte van de alkylzijgroep van het polymeer.

"Deze takken kunnen methyl of ethyl zijn, wat niet gemakkelijk kan worden gesmolten of verwerkt. Maar als je deze vertakking uitbreidt naar drie koolstofatomen, dat wil zeggen propyl, of zelfs langer, kan het materiaal plotseling gemakkelijker worden verwerkt en wordt het een ductiel materiaal. , taai en nuttig polymeer."

Dit biologisch afbreekbare polymeer, met de handelsnaam Nodax, wordt tegenwoordig op industriële schaal vervaardigd door Danimer Scientific, een biotechnologiebedrijf dat zich richt op het creëren van duurzame alternatieve materialen ter vervanging van conventionele kunststoffen. UD heeft ook een doorlopend partnerschap met Danimer, die de recente inspanningen voor patentaanvragen ondersteunde.

In tegenstelling tot de manier waarop standaard kunststoffen worden vervaardigd, wordt Nodax in grote tanks gemaakt door bacteriën met behulp van plantaardige grondstoffen. De geformuleerde Nodax-polymeren worden vervolgens door andere bedrijven gekocht om een ​​verscheidenheid aan eindproducten te maken, met biologische afbraaksnelheden die vergelijkbaar zijn met die van cellulose of voedselafval.

"Danimer Scientific is een pionier in de commerciële productie van natuurlijk voorkomende PHA's en biedt hernieuwbare en volledig gecertificeerde biologisch afbreekbare en composteerbare materialen aan voor veel verschillende foodservice- en verpakkingstoepassingen, zoals rietjes, bestek, papiercoatings, koffiepads en flexibele films", aldus Keith A. . Edwards, vice-president bedrijfsontwikkeling bij Danimer.

Nieuwe eigenschappen ontdekken door fundamenteel onderzoek

Maar het werk stopte niet toen de biopolymeren van Nodax op grote schaal werden geproduceerd. Nadat hij in 2012 een lezing op uitnodiging had gegeven aan de UD, ontmoette Noda oude collega Rabolt en besloot een deel van het materiaal dat hij in de loop der jaren had verzameld over te dragen om nieuwe wegen van fundamenteel onderzoek te ondersteunen. Noda, die van 2013 tot 2019 ook senior vice-president van Danimer Scientific was en nog steeds lid is van de Raad van Bestuur, trad in 2012 in dienst bij UD als aangesloten faculteitslid.

Met inspanningen onder leiding van Ph.D. alumni Liang Gong (nu bij 3M), Brian Sobieski (nu bij FXI), Changhao Liu (nu bij A123 systems) en professor materiaalkunde en technisch onderzoek Bruce Chase, naast Noda en Rabolt, ontdekte het UD-gebaseerde onderzoeksteam nog meer unieke eigenschappen van PHA’s. Dit omvatte onder meer de ontdekking dat een van de vormen van het materiaal zeer piëzo-elektrisch was, wat betekent dat het een elektrische lading vasthoudt nadat er een mechanische kracht op is uitgeoefend.

"Het was een geweldige samenwerking:we hadden scheikundigen, reologen, natuurkundigen en de juiste mix van vaardigheden om dit unieke materiaal te kunnen begrijpen en er verschillende dingen mee te kunnen doen", aldus Rabolt.

Deze bevinding bracht UD's Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP) ertoe in 2019 een patent aan te vragen met Nodax als biologisch afbreekbaar polymeer om piëzo-elektrische apparaten te maken; dat patent werd eerder dit jaar toegestaan ​​en uitgegeven, met namen als Chase, Noda en Rabolt.

"Het is opwindend om de resultaten te zien van deze samenwerking tussen de Universiteit van Delaware en Danimer Scientific, die het potentieel heeft om een ​​kettingreactie van voordelen op gang te brengen", zegt Julius Korley, associate vice president van OEIP.

"Naarmate bedrijven Nodax integreren in apparaten die nuttig zijn voor het publiek, zullen patentrechten terugvloeien naar de universiteit om onze uitvinders te belonen en de investeringen in onderzoek en innovatie te bevorderen, waarbij onze studenten gaandeweg leren om innovators te worden."

Het potentieel van een nieuw piëzo-elektrisch polymeer ontsluiten

De bevinding dat Nodax hoge piëzo-elektrische eigenschappen heeft, betekent dat het mogelijk kan worden gebruikt in sensoren of actuatoren. Nodax zou ook kunnen dienen als mogelijke vervanging voor polyvinylideenfluoride (PVDF), een veelgebruikt piëzo-elektrisch materiaal dat is gemaakt van per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS), een klasse van ‘forever chemicaliën’ die in verband zijn gebracht met negatieve gezondheidsresultaten. P>

Hoewel dit materiaal zich nog in de vroege ontwikkelingsfase bevindt, boeit Noda de mogelijkheden voor verder werk, in termen van zowel fundamenteel onderzoek als potentiële toepassingen. "We willen aanvullende eigenschappen ontdekken die nog niet zijn onderzocht, begrijpen hoe we het materiaal kunnen verbeteren en de verwerking kunnen aanpassen voor industriële schaal, en in het algemeen fundamenteel onderzoek blijven doen dat andere bedrijven zal helpen met hun toekomstige toepassingen", zei hij.

"Het leuke is dat je in de loop van de tijd verschillende dingen kunt proberen - misschien de ferro-elektrische of pyro-elektrische capaciteit van het materiaal kunt ontwikkelen, dat soort dingen", voegde Rabolt eraan toe. "We staan ​​eigenlijk nog maar op het topje van de ijsberg met dit nieuwe materiaal."

Danimer heeft al met partners samengewerkt om textielvezels te produceren met behulp van Nodax ter vervanging van conventionele materialen zoals PET en polypropyleen. De mogelijkheid om nu uit te breiden naar piëzo-elektrische vezeltoepassingen is een opwindende ontwikkeling.

"De toekomst van PHA's als een perfecter polymeer in veel toepassingen is nu, en Danimer pioniert opnieuw met nieuwe biotechnologische oplossingen met geweldige partners als UD", aldus Edwards.

Aangeboden door Universiteit van Delaware